西北嚴寒地區農村住宅建筑外圍護結構能耗分析*

許立憲，梁 諾，張 勇

（甘肅省建設設計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著建筑行業的發展，建筑能耗迅速增加，建筑能耗約占全球總能耗的40%[1]。而隨著生活水平的提升，人們對居住舒適性的要求越來越高，約五分之一的建筑能耗是由于人們越來越高的供暖和制冷需求產生的[2]。截至2020 年，全國居住在農村的人口達5.09億人，占中國總人口的36.11%。全國農村住宅建筑面積為375 億m2，占全國住宅建筑面積的46.13%。目前農村住宅建筑能耗占全國建筑總能耗的22%，農村住宅能耗已不能滿足鄉村振興政策背景下的綠色低碳發展要求，尤其在西北嚴寒地區，因此，在農村地區存在著較大的節能潛力[3]。

影響住宅建筑能耗的因素主要包括地理位置、氣候條件、地形地貌、建筑形式、建筑朝向、建筑高度、外圍護結構熱工性能等，其中外圍護結構熱工性能對住宅建筑能耗的影響最大，而我國農村地區受經濟發展水平的影響，特別是西北地區農村住宅建筑普遍缺乏節能措施。因此，為了減少農村住宅能源消耗，對建筑圍護結構的節能保溫顯得尤為重要[4]。

文章采用建筑能耗模擬分析軟件（DesignBuilder），通過對甘肅省西北嚴寒地區某農村住宅建筑圍護結構不同保溫材料的建筑能耗進行模擬計算，分別分析農村住宅建筑外墻、屋頂、窗戶等圍護結構的不同材料保溫對建筑能耗影響，提出適用于本地區農村住宅建筑的節能措施，合理地改善建筑的節能性能。

1 模型參數

1.1 建筑模型

該文章采用的建筑模型位于甘肅省酒泉市某農村的住宅建筑，模型如圖1 所示。建筑平面圖如圖2 所示，建筑總面積142 m2，寬16 m，深10 m，高3.5 m。建筑東西兩側各有一間臥室和一間衛生間，北側有一間臥室、一間書房和一間廚房，中部為客廳和餐廳。建筑北側窗墻比為0.2，南側窗墻比為0.3，東西兩側衛生間開設外窗，窗墻比為0.1。衛生間采用百葉窗簾，其余采用緊密編織窗簾。建筑結構形式為磚混結構，建筑材料見表1[5]。

表1 建筑材料及熱工參數

圖1 農村住宅建筑模型

圖2 建筑平面圖

1.2 氣象參數

該建筑位于甘肅省酒泉市，東經98.48°，北緯39.77°，屬于1C級嚴寒地區。該地區為大陸性干旱氣候，干燥寒冷，降水少。夏季干熱短促，冬季寒冷漫長。全年主導風向為西南風，最大風速26 m∕s，平均風速2.3 m∕s。太陽能資源豐富，年平均日照時數為3 056.4 h，平均日照百分率69%。最冷月平均溫度為-8.8 ℃，最熱月平均溫度為22.7 ℃。供暖度日數（HDD18）值為3 971，空調度日數（CDD26）值為3。因此，該地區住宅建筑必須充分考慮外圍護結構的保溫要求，以保證冬季供暖期節能需求，但夏季可以不考慮防熱問題[6]。因此，文章重點就冬季供暖期建筑節能保溫進行研究，當地供暖期為10月25日至次年3月31日，共158 d，室內房間均有采暖需求。供暖期室外干球溫度如圖3 所示，供暖期太陽能輻射量如圖4所示。供暖期內室外干球溫度最低為-19.49 ℃，室外干球溫度最高為13.74 ℃，最大太陽能輻射量為61.38 kWh，最小太陽能輻射量為8.01 kWh。

圖3 供暖期室外干球溫度

圖4 供暖期太陽能輻射量

2 研究方法與結果分析

2.1 研究方法

研究采用正交實驗方法，正交實驗是一種多因素實驗設計方法，旨在通過最少的試驗次數，準確地確定多個因素對響應變量的影響程度。正交實驗可以在保證實驗結果可靠性的前提下，盡可能地減少試驗次數，從而節省時間和成本。其能夠統計分析因素主效應和交互作用，從而分析出對建筑能耗影響最大的因素，為建立模型和制定優化方案提供有力支持。

在該章節中，用4 個參數來表示建筑圍護結構的性能，每個參數有3 個水平，因此，采用L9正交表格設計，見表2[7]。參數A、B、C、D分別為外墻U值，屋頂U值，窗戶U值，和南側窗墻比。參數A的3個水平為1.90 W∕m2·K、0.98 W∕m2·K、0.26 W∕m2·K。參數B的3個水平為4.1 W∕m2·K、1.74 W∕m2·K、0.28 W∕m2·K。參數C的3個水平為5.9 W∕m2·K、2.73 W∕m2·K、1.78 W∕m2·K。參數D的3個水平為30%、50%、70%。

表2 L9正交實驗設計

2.2 研究結果與分析

利用DesignBuilder 軟件對上述L9表格進行組合、分析和模擬計算，得到結果見表3。根據表3 中的數據對影響因素進行主效應分析，計算得到每個參數和每個水平的能耗平均值。為第j列的參數去i級別時，所得到的實驗結果平均值其公式如下：

表3 L9正交實驗模擬結果

式中：n為第j列i水平的因素出現次數，kij為第j列i水平的因素實驗結果之和，Rj為第j列的極差，公式如下：

在正交實驗中，因素平均值極差反映了各因素對響應變量的影響程度，極差越大意味著該因素對響應變量有較大影響，應該被進一步研究分析，以確定其最優水平[8]。

經過計算，正交實驗建筑能耗多因素分析結果見表4。由表4可知，屋頂U值對能耗的影響最為顯著，外墻和窗戶U值影響次之，南側窗墻比對建筑能耗影響較小。因此，在降低建筑能耗時對屋頂和外墻的保溫尤其重要。通過正交實驗可得最優方案為：A3+B3+C3+D3。最差方案為A1+B1+C1+D2。

表4 正交實驗建筑能耗多因素分析結果

3 圍護結構保溫分析

目前建筑圍護結構的保溫措施主要有外墻、屋頂、內墻鋪設保溫材料保溫，窗戶保溫等幾種方式。其中以外墻、屋頂、內墻鋪設保溫材料的保溫方式應用最廣，常用的鋪設保溫材料主要有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、玻璃棉、酚醛板、生態保溫材料、相變材料（PCM）等。

PCM 是一類具有特定溫度下固－液相變能力的材料，能在相變時釋放或吸收大量熱量并保持物質內部溫度穩定。PCM 保溫是建筑行業中一項快速發展且有前景的技術，PCM可在建筑中承擔多種作用包括冷∕熱負荷削減和轉移，提高住宅熱舒適性、建筑材料溫度控制等[9]。PCM 與圍護結構結合的方法主要有以下幾種：（1）直接摻入法；（2）浸沒法；（3）封裝法；（4）形成形狀穩定的相變材料；（5）PCM復合材料法[10]。

窗戶保溫指的是采用低輻射玻璃、中空玻璃等保溫玻璃材料，提高建筑的保溫性能。

實驗模型主要通過改變圍護結構形式及保溫材料，提高屋頂、外墻、玻璃的保溫性能，以達到降低建筑能耗的目的[11]。

3.1 屋頂

通過正交實驗分析可知，屋頂U值對建筑能耗的影響最大，因此，提高屋頂的保溫性能，是降低建筑能耗最重要的手段之一，屋頂使用的保溫層材料及U值見表5。圖5 為不同保溫材料屋頂的月采暖能耗，由圖5 可知使用PUR+PCM 保溫效果最好，使用PUR 保溫材料次之，XPS 保溫材料的節能效果優于玻璃棉板和EPS 保溫材料，酚醛板保溫材料節能效果最差。PUR+PCM的節能率可達48.3%，PUR保溫材料的節能率為46.9%，XPS 保溫材料的節能率為46.4%，玻璃棉板保溫材料的節能率為46.1%，EPS 保溫材料的節能率為45.7%，酚醛板保溫材料的節能率為45.6%。

表5 屋頂保溫材料及平均傳熱系數（U）值

圖5 不同保溫材料屋頂-月采暖能耗

3.2 外墻

外墻使用的保溫材料與屋頂相同，圖6 為不同保溫材料外墻的月采暖能耗。由圖6 可知使用PUR+PCM保溫效果最好，使用PUR保溫材料次之，XPS保溫材料的節能效果優于玻璃棉板和EPS保溫材料，酚醛板保溫材料節能效果最差。PUR+PCM的節能率可達22.8%，PUR 保溫材料的節能率為20.9%，XPS 保溫材料的節能率為20.5%，玻璃棉板保溫材料的節能率為19.9%，EPS 保溫材料的節能率為19.5%，酚醛板保溫材料的節能率為19.4%。

圖6 不同保溫材料外墻-月采暖能耗

3.3 窗戶

在該部分主要討論玻璃類型及厚度、填充氣體類型、氣層厚度等因素對住宅建筑能耗的影響。選取的窗戶類型見表6。圖7 為不同窗戶類型建筑總能耗，圖7可知能耗A＞B＞C＞D＞F，可知，采用雙層中空玻璃或低輻射玻璃的節能效果優于單層玻璃。能耗B＞C＞D 可知，氣層厚度16 mm 節能效果最佳，12 mm 次之，6 mm 最差。能耗C＞E＞F 可知，填充氪氣的節能效果最佳，填充氬氣次之，填充空氣最差。能耗C＞G可知，3mm雙層中空玻璃的節能效果優于6mm雙層中空玻璃。H的能耗最小，采用低輻射LOW-E玻璃的節能效果最佳。

表6 選取的窗戶類型

圖7 不同窗戶類型建筑總能耗

4 圍護結構保溫優化結果

該建筑圍護結構在未采用任何保溫材料時，初始建筑能耗為192.14kWh∕m2。該建筑采用最佳保溫措施為屋頂和外墻采用PUR+PCM 保溫，外窗采用3-12-3LOW-E 低輻射雙層中空玻璃，優化后結果如圖8 所示，該結果表明建筑采用最佳保溫措施后能耗為45.73kWh∕m2，節能率為76.2%。從圖中還可以看出，12月和1月最冷月時期，采取保溫措施后建筑節能效果最為明顯，2 月和11 月時期節能效果次之。因此，建筑圍護結構采用最佳保溫措施后可以有效地降低建筑能耗。

圖8 優化后月總建筑能耗

5 結論

該文章采用正交實驗法評估了酒泉地區農村住宅10 月25 日至次年3 月31 日供暖期間，外墻平均傳熱系數（U）值，屋頂U值，窗戶U值及南側窗墻比對建筑能耗的影響。正交實驗結果表明屋頂U值對建筑能耗的影響最為顯著，外墻和窗戶U值影響次之，南側窗墻比對建筑能耗影響較小。其次，基于DesignBuilder 能耗模擬軟件，模擬了農村住宅圍護結構不同保溫材料和保溫形式對建筑能耗影響。研究結果發現最佳的屋頂和外墻保溫措施為PUR+PCM 保溫，優化后節能率分別為48.3%和22.8%。最佳的窗戶保溫形式為3-12-3LOW-E 低輻射雙層中空玻璃。圍護結構整體優化后建筑能耗為45.73 kWh∕m2，建筑節能率可達到76.2%。

綜上所述，在中國西北嚴寒地區，對于農村住宅建筑圍護結構采取合理的保溫措施對降低建筑能耗具有顯著作用。對于農村住宅建筑，做好外圍護結構地保溫的目的是達到節能，節省供暖成本，但建筑外圍護結構保溫體系不能一味地追求其保溫效果而忽略其經濟性，這將使得建筑本身的建筑成本增加，使得外圍護保溫失去其真正的意義。所以，在進行外圍護結構熱工性能計算時，應充分考慮農村地區的經濟狀況，使得外圍護結構保溫體系的經濟性與節能性能達到一個平衡點，這樣才能發揮保溫結構真正作用，使其有一個長足的發展。